Анализ возможных путей повышения свойств гипсовых вяжущих

Автор: Е. Г. Демченко, Н. И. Беломеря
Источник: Охорона навколишнього середовища та раціональне використання природних ресурсів / Збірка доповідей XXIV всеукраїнської наукової конференції аспірантів і студентів — Донецьк, ДонНТУ — 2014, Том 2, с. 163-165.

Основой современного строительства являются вяжущие материалы. Одним из таких материалов является гипс.

Гипс это сульфат кальция, который может встречаться в различных видах гидратного положения с кристаллизационной водой, а также и без кристаллизационной воды. Гипсовый камень, встречается в природе и является дигидратом сульфата кальция (СаSО₄ • 2Н₂O). Имеющаяся в природе свободная от кристаллизационной воды форма сульфата кальция является ангидритом (СаSО₄). Этот материал издавна используется в качестве строительного материала и материала для других нужд [1]. Его получение и использование возможно за счет легкости процесса обезвоживания (дегидратации) дигидрата сульфата кальция — гипсового камня. При этом химически связанная с СаSО₄ вода частично или полностью вытесняется и продукт приобретает вяжущие свойства.

При обычных условиях двуводный гипс — это термодинамически устойчивая твердая фаза с минимальным значением свободной энергии и находится в равновесном состоянии. При его нагревании происходит изменение равновесного состояния, то есть его дегидратация. Основным продуктом дегидратации двуводного гипса является полуводный гипс. Полугидрат сульфата кальция известен в двух формах: α–полугидрат и β–полугидрат. Они возникают при различных условиях термообработки и отличаются своими физическими свойствами. Зерна β–полугидрата представляют собой кристаллы без четких граней и ребер, а α–полугидрата имеют игольчатую структуру с более четкими гранями и ребрами, таким образом, предавая гипсу большую прочность (рис.1, 2)

Рисунок 1 – Вид зерен β–полугидрата при увеличении ×2000

Рисунок 2 – Вид зерен α–полугидрата при увеличении ×2000

Гипс α–модификации называют высокопрочным или формовочным. Он широко применяется в фарфоро-фаянсовом производстве для изготовления моделей, капов и форм, с помощью которых изготавливают керамические изделия. Кроме того применение такого вида гипса приобрело широкое распространение и в медицине.

Изделия из высокопрочного гипса мало тепло- и звукопроводящие, но в тоже время по сравнению с изделиями из строительного гипса отличаются высокой морозостойкостью, повышенной водостойкостью и меньшей склонностью к пластическим деформациям.

Изготовление высокопрочного гипса более затруднено от обычного, так как используются тепловые агрегаты более сложной конструкции, таким образом, увеличивая материальную ценность производства. Поэтому для строительных целей в основном используется β–модификация гипса [2].

Однако применение такого гипса возможно только в условиях, когда влажность среды, где используется это вяжущее, не превышает 65–75 %. Для формовочного или медицинского назначения этот гипс не может применятся из-за низких эксплуатационных характеристик, таких как механическая прочность, плотность, водостойкость и др. Увеличивать эти характеристики, а также изменять сроки схватывания и твердения гипса можно путем введения модифицирующих добавок. Для этих целей используют такие классы добавок как:

• функциональные: осуществляющие замедление схватывания гипсовой смеси и увеличивающие водоудержание, улучшающие подвижность, пластичность, прочность сцепления, создают особую поровую структуру, снижают риск трещинообразования;
• реологические: загустители, которые улучшают консистенцию растворной смеси, её удобообрабатываемость и снижают липкость к инструменту;
• водоудерживающие: увеличивающие водоудержание, прилипаемость к основе, улучшают перемешивание, придающие смеси стабилизацию необходимой вязкости и пластичности;
• диспергаторы (пластификаторы): адсорбирующиеся на поверхности частиц растворной смеси добавки, обеспечивают при меньшем количестве воды необходимую вязкость, уменьшающие таким образом образование комков при приготовлении раствора;
• порообразователи или воздухововлекающие агенты: создающие особую поровую структуру затвердевшего материала, образуя микропоры, равномерно распределённые по объёму, минимизируя образование трещин, улучшая морозостойкость и технологичность.

В данной работе нами ставилась цель найти рациональные пути улучшения и повышения технологических и эксплуатационных свойств строительного гипса и приблизить их к свойствам высокопрочного. Для этого нами было исследовано влияние ряда факторов и добавок на основные свойства гипсового вяжущего.

Водопотребность гипса. Увеличить её можно повышением степени его измельчения. Вместе с тем измельчение его до удельной поверхности примерно 2500–3000 см² даже при некотором увеличении водопотребности смеси приводит к повышению прочности гипсовых отливок. Поэтому целесообразно измельчать гипс тоньше, чем это предусмотрено требованиями стандарта. Водопотребность гипса значительно снижается при введении с водой затворения замедлителей схватывания (кератинового, известково-клеевого замедлителя, лигносульфаната технического, синтетических жирных кислот (СЖК)) в количестве до 0,1–0,3 % массы вяжущего. С помощью этих веществ удается снизить количество воды затворения строительного гипса на 10–15 % при обеспечении нормальной густоты.

Физико-механические свойства. Повышение прочности строительного гипса может быть достигнуто добавкой к нему извести в количестве около 5 %. Положительное действие извести объясняется тем, что она каталитически влияет на ангидрит, который обычно содержится в строительном гипсе. Известь можно добавлять при термообработке гипсового камня или при приготовлении раствора. Ещё одним способом для получения более прочных отливок является снижение величины нормального водогипсового отношения, т. е. снижают нормальную густоту гипса [4–5]. Это достигается добавлением пластификаторов — веществ, которые разжижают гипсовую массу. В качестве пластификатора применяют лигносульфанат калия, который вводят в воду затворения в количестве 0,25–1,0 %.

Сроки схватывания. Строительный гипс — быстросхватывающийся. Быстрое схватывание полуводного гипса является в большинстве случаев положительным его свойством, позволяющим быстро извлекать изделия из форм. Однако в ряде случаев быстрое схватывание нежелательно [4–5]. Для регулирования сроков схватывания (ускорения и замедления) в гипс при затворении вводят различные добавки. Схватывание гипса ускоряется, если добавки, например NaCl, КС1, Na₂SО₄, усиливают растворимость полугидрата в воде. Обычно этот эффект достигается при введении добавок в воду затворения в количестве до 2–3 %. Чаще всего для ускорения схватывания строительного гипса применяют двуводный гипс, поваренную соль и сульфат натрия, вводя их в количестве от 0,2 до 3 % массы полугидрата. А для замедления используют кератиновый и известково-клеевой замедлители, а также ЛСТ в количестве, не превышающем 0,1–0,5 % (в пересчете на сухое вещество) массы гипса. Следует отметить, что введение добавок (ускорителей или замедлителей схватывания) обычно отрицательно сказывается на конечной прочности гипсовых изделий. Это выявляется, если их получают из смеси с добавками и без них при одинаковом водогипсовом отношении. Однако введение поверхностно-активных веществ в умеренном количестве (до 0,1–0,3 %) способствует обычно увеличению прочности изделий, так как снижение ими активности гипса компенсируется в этом случае приростом прочности вследствие значительного уменьшения водогипсового отношения при получении смесей одинаковой подвижности.

Пористость. Для создания особой пористой структуры затвердевшего материала используют поверхностно-активные вещества, которые уменьшают поверхностное натяжение воды, и тем самым улучшают обволакиваемость самых мелких частиц растворной смеси. При этом образуются микропоры, равномерно распределенные по всему объёму. Они минимизируют образование трещин, улучшая, таким образом, морозостойкость и технологичность. Вводятся такие добавки во все растворы в малых количествах 0,01–0,03 %.

Водостойкость. Одним из способов повышения водостойкости гипсовых вяжущих является обработка строительных материалов кремнеорганическими веществами [5]. Существует несколько методов обработки строительных материалов кремнеорганическими соединениями:

• поверхностная обработка парами летучих кремнеорганических соединений;
• покрытие поверхности жидкими кремнеорганическими соединениями;
• пропитка пористых материалов, изделий из них жидкими кремнеорганическими соединениями;
• введение кремнеорганических соединений в исходные массы;
• комбинированные методы обработки.

Наилучшие результаты достигаются комбинированием методов обработки материалов кремнеорганическими соединениями.

Таким образом, в зависимости от назначения гипсового вяжущего, используя те или иные добавки можно регулировать его свойства в нужном направлении.

Список источников

1. Вяжущие материалы / А. А. Пащенко, В. П. Сербин, Е. А. Старчевская. – К.: Вища школа, 1993. – 440 с.
2. Untersuchungen zur hygromehanischen Stabilitat von kristallinem Calciumsulfat-Halbhzdrat / H. U. Hummel, B. Abdussaljamov, H. B. Fischer, J. Stark. – ZKG –International,2001. – 465 s.
3. Справочник по производству гипса и гипсовых изделий / Под ред. К. А. Зубарева. – М.: ЮНИТИ, 1995. – 464 с.
4. Гипсовые материалы и изделия (производство и применение) / Под ред. А. В. Ферронской. – М.: Издательство АСВ, 2004. – 488 с.
5. Булычев, Г. Г. Смешанные гипсы. Производство и применение / Г. Г. Булычев. – М.: Издательство АСВ, 1992. – 132 с.